Процес обробки надпровідника

Корисна модель процесу відноситься до обробки металів тиском і може бути використана для виготовлення технічних надпровідників, переважно на основі сплаву ніобій-титан, багатонитяної конструкції з підвищеними функціональними властивостями, обумовленими формуванням досконалої структури сплаву і композиту в цілому. Відомо, при виробництві однонитяних і багатонитяних надпровідників застосовуються процеси спільної екструзії, гідроекструзії, прокатки й волочіння надпровідного сплаву й пластичної матриці з нормально-провідного матеріалу, як правило, чистої міді (М0б). Для надпровідників, що працюють у змінних полях в якості нормальнопровідної матриці вибирають високорезистивні матеріали на основі сплавів міді з нікелем (МН19) або марганцем (Ммц7). Основний напрямок підвищення функціональних електрофізичних властивостей надпровідника складається в зменшенні діаметра ніобій-титанової нитки без погіршення макрогеометрії і мікрогеометрії поверхні зіткнення сплаву з матрицею, створення досконалої структури не тільки в сплаві, але й у композиті в цілому. [М.Савицкий и др. Физико-химические основы получения сверхпроводящих материалов. М.: Металлургия, 1981, 480 с]. Формування границі зіткнення компонентів композита, її геометричний фактор, залежить від матеріалу компонентів і його фізичного стану, якості їхньої підготовки, а також технології обробки. Геометричний фактор будови композита є визначальним у можливості досягнення конструкції надпровідника з великою кількістю ниток (n~106), з низькою величиною їхньої обривності в процесі обробки і підвищеним рівнем стабільності надпровідних властивостей. [Матросов Н.И. и др. Исследование особенностей пластической деформации диффузионного взаимодействия компонентов многоволокнистого композита. ФТВД, 1999г., т.9, №1, с.103-109; Деформационнотермические условия гидропрессования многоволокнистого композита. ФТВД, 1998г., т.8, №3, с. 122-125.] Відомий спосіб виготовлення надпровідників [патент ФРН 2100157 кл. Н01В 12/00, надрук. 30.08.1979], при якому складена заготовка піддається деформації гарячим пресуванням при температурі 500-700°С, в результаті чого одержують пруток меншого діаметра, з якого виготовляють дріт шляхом холодної деформації. При цьому з метою усунення деформаційного зміцнення і підвищення струмонесучої здатності готового виробу бажаним є проведення проміжних (через кожні 50-75 % деформації) і остаточної термообробок в інтервалі температур 350400°С. Спосіб гарячої деформації дозволяє одержувати надійне зчеплення дотичних поверхонь компонентів композита в широкому діапазоні витяжок. Однак ведення процесу пресування при підвищених температурах не забезпечує сприятливий структурний стан у надпровіднику - формує грубозернисту малодефектну кристалічну структур у з малою густиною ефективних пінінгцентрів на стадії одержання прутків. У ряді випадків зміна перерізу деформуючого прутка є небажаним чинником, а основна мета складається в забезпеченні структурних змін і підвищенні комплексу фізико-механічних властивостей. Відомий традиційний спосіб деформації пресуванням не відповідає зазначеним вимогам. Аналіз існуючого рівня рішень в області обробки металів тиском і технічної надпровідності свідчить про актуальність завдання подальшого вдосконалення процесів структурної обробки надпровідних матеріалів, розширення їхніх те хнологічних можливостей з метою підвищення експлуатаційних властивостей надпровідників. Одним із процесів обробки, що дозволяє зняти зазначені обмеження і досягти великих однорідних деформацій з формуванням субмікрокристалічної (СМК) стр уктури без зміни перерізу заготовки є рівноканальне кутове пресування. Відомий процес одержання багатоволокнистих надпровідників [Патент України 18672 В21С 1/00, надрук. 15.11.2006, Бюл.№11, 2006р.], обраний за прототип для корисної моделі, що заявляється, включає операції рівноканального багатокутового пресування (РКБКП) біметалічної або композитної багатострижневої заготовки з надпровідного сплаву в оболонці з нормальнопровідного матеріалу з накопиченням знакозмінної деформації шляхом багаторазового повторення циклів пресування зі збереженням її вихідних форми і розміру в комбінації з термообробкою і зміною схеми деформування на монотонну формозміну зі зменшенням перерізу заготовки і збільшенням кількості надпровідних стрижнів (волокон). До переваг прототипу можна віднести можливість досягнення великого структурного пророблення сплаву надпровідника за рахунок збільшення циклів рівноканального багатокутового пресування (накопичення немонотонної деформації) без зміни перерізу, що забезпечує більш підвищений комплекс електрофізичних властивостей. Разом з тим, велика сумарна зсувна інтенсивна деформація РКБКП, під впливом жорстких умов зовнішнього тертя заготовки в осередку деформації приводить до спотворення поверхні розділу, її рельєфу і шорсткості. Недолік прототипу полягає в тім, що він не містить відомостей по утворенню більш досконалої зовнішньої будови композита. Під зовнішньою будовою композита розуміється поліпшення геометричного фактора (відхилення форми, хвилястість, шорсткість) поверхні розділу компонентів - надпровідного сплаву й нормально провідного матеріалу (матриці) на всіх етапах обробки від біметалічної до композитної багатострижневої заготовки. Загальними ознаками прототипу і корисної моделі процесу, що заявляється, є операції рівноканального багатокутового пресування стрижня з надпровідного сплаву з накопиченням знакозмінної деформації шляхом багаторазового повторення циклів пресування зі збереженням його вихідних форми і розміру в комбінації з термообробкою і зміною схеми деформування на монотонну формозміну зі зменшенням перерізу надпровідного стрижня і збільшенням їхньої кількості. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення процесу обробки надпровідника за рахунок розширення області застосування немонотонного деформування без зміни перерізу, можливості одержання багатонитяних, з більшою кількістю надпровідних ниток, надпровідників і створенням при цьому більш досконалої зовнішньої будови (хвилястості і шорсткості поверхні розділу його компонентів: стрижня надпровідного сплаву і оболонки нормально-провідного матеріалу) і внутрішньої субмікрокристалічної і нанокристалічної будови надпровідних ниток, що приводять до поліпшення електрофізичних властивостей виробів. Поставлена задача вирішується тим, що процес виготовлення надпровідника, переважно на основі сплаву ніобію з титаном, що включає операції рівноканального багатокутового пресування стрижня з надпровідного сплаву з накопиченням знакозмінної деформації шляхом багаторазового повторення циклів пресування зі збереженням його вихідної форми і розміру в комбінації з термообробкою і зміною схеми деформування на монотонну формозміну зі зменшенням перерізу надпровідного стрижня і збільшенням їхньої кількості, відповідно до корисної моделі, по завершенні операції рівноканального багатокутового пресування здійснюють механічну обробку стрижня, що вибирають з умов зниження відхилень форми і рельєфу поверхні (хвилястості і шорсткості) надпровідного стрижня, після чого з нього формують складену однострижневу або багатострижневу заготовку з оболонкою з нормально провідного матеріалу, яку потім піддають монотонній формозміні. Причинно-наслідковий зв'язок між відмітними ознаками і результатом, що досягається, корисної моделі, а також обґрунтування режимів процесу полягає в наступному. Введення додаткової операції механічної обробки стрижневої заготовки надпровідного сплаву, виконуваної по завершенні немонотонно!' деформації РКБКП і обираної з умов зниження відхилень форми і рельєфу її поверхні, забезпечує вирішення поставленого завдання. Застосування стрижневої заготовки надпровідного сплаву, обробленої з високою точністю і чистотою поверхні, при наступному формуванні в однострижневий або багатострижневий пакет з оболонкою (матрицею) з нормально провідного матеріалу і його подальшому монотонному пластичному деформуванні забезпечує збереження вихідного геометричного фактора в процесі зменшення його діаметра. Досконала зовнішня будова стрижня (волокон) при контрольованих і регульованих раціональних режимах обробки дозволяє зменшити або виключити обривність надпровідних волокон, підвищити стабільність їхніх властивостей по довжині і, як наслідок, створює можливість одержання надпровідника з більшою кількістю волокон з підвищеним рівнем транспортних властивостей. Застосування проведення немонотонної деформації (багаторазове рівноканальне багатокутове пресування) на початковій стадії обробки стрижнів надпровідного сплаву без зміни їхнього перерізу і наступна за нею механічна обробка забезпечують більш досконале пророблення не тільки внутрішньої стр уктури сплаву, а й зовнішньої поверхні стрижня, поверхні розділу композита в цілому, що особливо актуально, коли після монотонної деформації традиційними способами діаметр ниток (волокон) зменшується і становить менше 1 мікрона. Обрані прийоми і режими процесу, їхня сукупність забезпечують рішення поставленої задачі, одержання якісно нового високоефективного виробу - багатонитяного, з великою кількістю тонких ниток (волокон) надпровідника з підвищеними стабільними по довжині електрофізичними і механічними характеристиками. Рішення, що заявляється, відрізняється від прототипу, його відмітні ознаки зв'язані єдиним змістом і забезпечує корисність, тобто воно відповідає критерієві «новизна». Виявлені в рамках науково-технічного і патентного пошуку ознаки відомих рішень в області обробки матеріалів тиском і надпровідності в повному об'ємі не збігаються з ознаками, які заявляються. Пропоноване рішення характеризується новою сукупністю ознак, забезпечує інший позитивний ефект, що дає підставу вважати його відповідному критерієві «корисна модель». Процес рівноканального багатокутового пресування реалізується з використанням деформуючого інструмента, утвореного чотирма пересічними каналами з половинними кутами перетинання q1 q3 80° i q2 70° однакового по розміру перерізу. Обрані параметри інструмента забезпечують = = = деформацію заготовки за один цикл-прохід e1=0,82. Величина деформації за цикл визначається по формулі 2(ctgq1 + ctgq2 + ctgq 3 ) e1 = 3 Накопичення деформації здійснювали повторенням циклів. Величина накопиченої деформації визначається як добуток кількості циклів (N) на величину деформації за цикл (e1), eS = N × e1. Для цілеспрямованого формування рівноосної структури сплаву заготовку в кожному наступному циклі пресування перевертали на 180° навколо осі поперечного напрямку і повертали на 90° відносно поздовжньої осі. Рівноканальне багато кутове пресування здійснювали при кімнатній температурі за схемою «заготовка за заготовкою». Як вихідні заготовки використані прутки сплаву 60Т (Nb +60 ат. %Тi). Довжина заготовки становила приблизно 100мм. Термообробку деформованих напівфабрикатів проводили у вакуумі 10-5мм рт. ст. при температурі 350-400°С. Для реалізації заключної монотонної деформації використовують те хнологічне оснащення і інструмент для гідроекструзії та волочіння. Гідроекструзію здійснюють із одиничним ступенем деформації £ 70%. Волочіння здійснюють із одиничним ступенем деформації £ 20%. Сумарна максимальна величина заключної деформації гідропресуванням і волочінням є дорівнює 9,50, визначається як е = InR, де R - витяжка. Особливості структури і зміцнення сплаву при різних режимах процесу обробки вивчалися методами оптичної мікроскопії, рентгеноструктурного аналізу та мікроіндентування. Функціональні властивості оцінювалися на дротових зразках у зовнішньому магнітному полі до ЮТ при 4,2К. Прикладі. Одержання біметалічного надпровідника 1. Вихідний пруток (стрижень) діаметром 15 мм зі сплаву 60Т обробляється методом РКБКП з накопиченням деформації е =9,84 (12 циклів) і формуванням у сплаві особливого фізичного стану (субмікрокристалічної структури з розміром рівноосних зерен 150-200нм і об'ємними виділеннями вторинної a -фази ~ 3%). Перед деформацією на пруток наносять технологічне антифрикційне покриття, наприклад, шар міді, що забезпечує зниження силового режиму й підвищення виходу гідного. 2. Потім продеформований пруток піддається обробці (зовнішньому точінню або круговому шлі фуванню), що виключає відхилення форми реальної поверхні від геометричного профілю такі як: конусообразність, зігнутість, бочкообразність, седлообразність, некруглість і т.д., що забезпечує рельєф, шорсткість (висотою мікровиступів Rz) у межах 1-20мкм. 3. Підготовлений стрижень діаметром 12мм розміщують в оболонку з нормальнопровідного матеріалу (міді, мідно-нікелевого сплаву МН-19 або мідно-марганцевого сплаву Ммц7), формуючи складену біметалічну заготовку зовнішнім діаметром 15 мм. 4. Потім складена біметалічна заготовка піддається монотонній формозміні традиційними способами (гідроекструзією, волочінням) до діаметра 0,3 мм із сумарною величиною деформації е=7,8. З метою оптимізації структурно-фазового стану здійснюють проміжні або заключну термообробки при температурі 300...400°С. Результат: спадковість реалізованих дій по формуванню внутрішньої і зовнішньої будови надпровідного стрижня проявляється у виробі (надпровідному дроту) підвищенням (~ 30%) поздовжній міцності і пластичності, до 2-х разів струмонесучої здатності, більше 3-х разів підвищенням стабільності критичного струму по довжині дроту, розкид критичного струму не перевищує 7 %. Приклад 2. Одержання багатонитяного надпровідника. 1. Прутоксплаву ніобій-титан діаметром 15 мм деформують РКБКП без зміни перерізу з накопиченням деформації е=9,84. 2. Деформований пруток піддають механічній обробці до діаметру 12мм, що забезпечує низькі значення відхилень форми і шорсткості поверхні надпровідного стрижня. 3. Потім формують багатострижневу складену заготовку для одержання багатонитяного надпровідника. Для чого: беруть циліндричну заготовку з нормальнопровідного матеріалу діаметром 45мм, у ній свердлять 7 отворів діаметром 12 мм, рівномірно розташованих по перерізу, і глибиною, перевищуючу довжину підготовлених надпровідних стрижнів, у ни х розміщають стрижні, складений пакет герметизують. 4. Складену багатострижневу заготовку піддають деформаційно- термічній обробці з монотонною формозміною (гідроекструзією, волочінням) до надпровідного виробу, семинитяного проводу діаметром 0,6 мм, із сумарною величиною деформації е=8,6. Результат: пропоновані прийоми забезпечують структурне пророблення (зовнішнє і внутрішнє) конструктивних елементів надпровідного композита з одержанням якісно нового високоефективного при роботі в постійному і змінному полях багатонитяного надпровідника з підвищеними стабільними по довжині електрофізичними властивостями. Приклад 3. Одержання багатонитяного надпровідника. 1-3. Повторюють дії, наведені в прикладі 1. 4. На даному переході монотонна деформація ведеться по маршруту o 0 15 мм ® o 3,0 мм. / / 5. Дротова заготовка ріжеться на мірні дротові конструктивні елементи, з таких елементів набирають пакет, наприклад з 211 штук, що розміщають у гільзу з нормальнопровідного матеріалу - міді зовнішнім діаметром 72 мм. 6. Складена багатострижнева заготовка (пакет) піддається деформаційно-термічній обробці, деформується по маршруту o 72 мм ® o 0,6 мм із сумарною величиною деформації е=9,5. / / Результат: одержання високодисперсного багатонитяного самостабілізованого надпровідного проводу зі сприятливим для надпровідних властивостей структурним станом. Забезпечується підвищення критичного струму, розкид його не перевищує 7%, обривність ниток знижується до 1%. Таким чином, за рахунок своїх відмітних ознак пропонована корисна модель забезпечує рішення поставленої задачі - одержання багатонитяного надпровідника з поліпшеною геометрією перерізу його ниток при інтенсивному структурному їхньому проробленні і підвищеними стабільними по довжині електрофізичними та механічними характеристиками. Пропонований процес доцільно використовувати при виготовленні надпровідників на основі сплаву ніобійтитан для потреб електротехнічної, приладобудівної, оборонної та інших галузей промисловості.